13.5: Replikation in Prokaryoten

Überblick

Die DNA-Replikation besteht aus drei Hauptschritten: Initiation, Elongation und Terminierung. Die Replikation in Prokaryoten beginnt, wenn die Initiatorproteine den einzigen Replikationsursprung (ori) auf dem zirkulären Chromosom der Zelle binden. Die Replikation verläuft dann um den gesamten Kreis des Chromosoms in jeder Richtung von zwei Replikationsgabeln aus. Das resultiert in zwei DNA-Molekülen.

Bei der Replikation eines Chromosoms arbeiten viele Proteine zusammen

Die Replikation wird von einer Vielzahl spezialisierter Proteine koordiniert und durchgeführt. Die Topoisomerase öffnet eine Seite des doppelsträngigen DNA-Phosphat-Zucker-Rückgrats. Dadurch kann sich die DNA-Helix schneller entwickeln, während die Helikase die Bindungen zwischen den Basenpaaren an der Gabelung öffnet und die DNA in zwei Matrizenstränge trennt. Proteine, die an einzelsträngige DNA-Moleküle binden, stabilisieren die Stränge, während die Replikationsgabel entlang des Chromosoms wandert. DNA kann nur in Richtung des 5- und 3-Endes synthetisiert werden, so dass ein Strang der Matrize, der Leitstrang, kontinuierlich verlängert wird, während der andere Strang, der Folgestrang, in kürzeren Stücken von 1000-2000 Basenpaaren, die Okazaki-Fragmente genannt werden, synthetisiert wird.

Mehrere Polymerasen nehmen an der Elongation teil

Ein Großteil der Forschung der prokaryotischen DNA-Replikation wurde in dem Bakterium Escherichia coli, einem häufig verwendeten Modellorganismus, durchgeführt. E. coli hat 5 DNA-Polymerasen: Pol I, II, III, IV und V. Pol III ist für den Großteil der DNA-Replikation verantwortlich. Es kann etwa 1.000 Basenpaare pro Sekunde polymerisieren. Diese erstaunliche Geschwindigkeit ermöglicht es der an den beiden Replikationsgabeln vorhandenen Maschinerie, das E. coli Chromosom in etwa 40 Minuten zu duplizieren. Dabei müssen über 4,6 Millionen Basenpaare dupliziert werden. Die DNA-Polymerase I wird mittlerweile auch gut charakterisiert. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, die RNA-Primer vom Anfang der Okazaki-Fragmente auf dem Folgestrang zu entfernen.

Wenn die Zellteilung die Duplikation überholt

Unter günstigen Wachstumsbedingungen teilen sich E. coli alle 20 Minuten. Das ist etwa die Hälfte der Zeit, welche eine Zelle für die Replikation des Genoms benötigt. Wie ist das also möglich, wenn doch beide Tochterzellen ihre eigene DNA haben müssen? Die Wissenschaftler fanden heraus, dass das Bakterium einen weiteren Zyklus der DNA-Replikation vom Replikationsursprung aus beginnen kann, bevor der erste abgeschlossen ist. Das bedeutet, dass die Tochterzellen ein bereits kopiertes Chromosom erhalten und bereit sind, sich sehr schnell wieder zu teilen.

Bei Prokaryoten beginnt die DNA-Replikation, wenn sich Initiatorproteine am Replikationsursprung binden. Eine kleine Region der DNA, die eine spezifische Sequenz von Basen enthält, die einen Komplex bilden. Dieser Komplex hilft, die DNA zunächst zu trennen.

Dann bindet sich das DNA-Helikase-Enzym daran und zerlegt die DNA weiter, indem es die Wasserstoffbindungen zwischen den komplementären Strängen bricht. Die neu eröffneten Bereiche werden durch einzelsträngige DNA-Bindungsproteine stabilisiert. Jeder einzelne kann nun als Vorlage für die Synthese eines neuen DNA-Strangs dienen.

Die Abwicklung und Synthese erfolgt in beide Richtungen vom Ursprung aus und erzeugt zwei Replikationsgabeln. Vor den Gabeln binden sich die Topoisomerase-Enzyme an die DNA und reduzieren die Torsionsbelastung beim Abbauen des Moleküls. Sobald die Stränge getrennt sind, synthetisiert eine andere Enzymprimase einen RNA-Primer.

Ein kurzer Abschnitt der RNA, komplementär zur DNA-Sequenz. Der Primer bietet dem DNA-Polymerase-Enzym einen Platz, um Nukleotide hinzuzufügen, die komplementär zur DNA-Sequenz sind, wodurch ein neuer DNA-Strang in einem Prozess namens Dehnung entsteht. Die DNA-Polymerase synthetisiert DNA in der fünf- bis dreimaligen Hauptrichtung eines Moleküls.

Die Synthese dieses Strangs, des Leitstrangs, verläuft also kontinuierlich. Der andere Strang, der Isolierstrang, hat die entgegengesetzte Ausrichtung. Folglich wird die DNA in kurzen Stücken, den Okazaki-Fragmenten, synthetisiert, die durch zusätzliche RNA-Primer verlängert werden.

Rückwärts von der Gesamtbewegungsrichtung der Replikationsgabel. Die RNA-Primer werden dann durch Enzyme wie RNAse, die durch DNA ersetzt werden, exzidiert und die DNA-Fragmente werden durch das Enzym DNA-Ligase zu einem kontinuierlichen Strang verbunden. Die DNA-Replikation verläuft um das gesamte Molekül herum, so dass zwei kreisförmige DNA-Moleküle entstehen. Dies gilt als semikonservativer Prozess, da jedes Molekül einen alten und einen neuen Strang enthält.